EP3449044A1 - Cristallisation de silicium amorphe à partir d'un substrat d'aluminium riche en silicium - Google Patents

Cristallisation de silicium amorphe à partir d'un substrat d'aluminium riche en silicium

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EP3449044A1
EP3449044A1 EP17723452.3A EP17723452A EP3449044A1 EP 3449044 A1 EP3449044 A1 EP 3449044A1 EP 17723452 A EP17723452 A EP 17723452A EP 3449044 A1 EP3449044 A1 EP 3449044A1
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EP
European Patent Office
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silicon
layer
substrate
aluminum
thin layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17723452.3A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Abdelilah SLAOUI
Pierre BELLANGER
Alexander Ulyashin
Freddy SYVERTSEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Strasbourg
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Strasbourg
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Strasbourg filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3449044A1 publication Critical patent/EP3449044A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Definitions

  • the present invention relates to the production of crystalline silicon in a thin layer on a substrate, in particular but not exclusively for photo voltaic applications.
  • the solar cells used in the photo voltaic application are, for about 90%, made from crystalline silicon wafers obtained from the cutting of an ingot. Also known are crystallization techniques of amorphous silicon, such as laser induced crystallization (LIC) or solid phase crystallization (SPC).
  • LIC laser induced crystallization
  • SPC solid phase crystallization
  • the present invention improves the situation.
  • the invention proposes a method of manufacturing a semiconductor component comprising crystalline silicon in a thin layer on a substrate.
  • the process preferably comprises the steps:
  • the thin layer of crystalline silicon may comprise, after annealing, a surface coating of silicon mixed with aluminum.
  • the method may then comprise an additional step of etching the surface of said crystalline silicon thin film to remove said surface coating. Nevertheless, in certain possible applications, it may be advantageous to maintain this naturally forming coating.
  • the substrate is made of an aluminum and silicon alloy initially comprising between 5 and 50% of silicon, and preferably between 12 and 50% of silicon. As described below, such a substrate is very simple to manufacture.
  • the thermal annealing temperature is for example between 450 and 550 ° C, for durations of between twenty minutes and twelve hours, and to be applied to an amorphous silicon layer which may be of thickness between 1 and 10 micrometers.
  • the crystalline silicon thin film obtained is more precisely a thin layer of P + doped polycrystalline silicon with aluminum.
  • the method may advantageously furthermore comprise a step of depositing a second thin layer of silicon on said thin layer of crystalline silicon.
  • the present invention also relates to a semiconductor component comprising crystalline silicon in a thin layer on a substrate.
  • the substrate consists of an aluminum and silicon alloy, predominantly aluminum.
  • the aforementioned thin film more precisely comprises poly-crystalline silicon, P + doped with aluminum.
  • the component further comprises:
  • Such a component then forms at least one photovoltaic cell including a solar panel.
  • the second P-doped layer and the third N-doped layer are made of silicon (and in particular the N-doped layer can be made of amorphous silicon).
  • the aluminum-doped P-doped polycrystalline silicon thin film may advantageously form a rear surface field layer (or "BSF" hereinafter).
  • the substrate (mainly made of aluminum) can also form an optically reflective mirror.
  • the cost of producing thin silicon layers is lower than that of platelets made of crystalline silicon.
  • An electricity production price of less than 0.4 € / Wp is estimated for solar cells made from thin layers of silicon.
  • a silicon-rich aluminum substrate produced at low cost, and used for the purposes of the invention as a catalyst for crystallizing amorphous silicon, has the advantage of being weaker. thermal budget than that of competing technologies such as laser-induced crystallization (LIC) or solid phase crystallization (SPC).
  • LIC laser-induced crystallization
  • SPC solid phase crystallization
  • a so-called "aluminum-induced crystallization" (or AIC) technique which consists in depositing two layers of aluminum and silicon, respectively, on one another, in order to crystallize the silicon after annealing.
  • AIC aluminum-induced crystallization
  • such a technique uses very thin layers of aluminum and amorphous silicon (thicknesses of less than 200 nm) on a generally glass substrate.
  • the interaction between the two layers results in a polysilicon layer that has at most the thickness of the amorphous silicon initial layer.
  • this technique has many limitations to the growth of crystalline silicon layers suitable for applications of semiconductor components and especially for photo voltaic applications.
  • the silicon-rich aluminum substrate can be advantageously used as a support during the manufacture of photovoltaic cells manufactured from the stack of thin silicon layers.
  • a substrate plays the role, in this application to the manufacture of photovoltaic cells, both rear contact and reflector after complete manufacture of the cells.
  • the aluminum substrate can play the role of optical mirror, to promote the light-matter interaction in the overlying thin layers. It should be noted here, however, that an initially pure aluminum substrate can not be used as an alternative, due to diffusion of uncontrolled silicon during the elaboration of the overlying silicon layers.
  • the crystallized layer after annealing then comprises crystalline silicon doped with aluminum, and then forms a P + layer usually used as back surface field (or "BSF" for "back surface field") of a photo voltaic cell.
  • this crystalline silicon layer can serve as a seed for the deposition of a P-doped overlying layer, for example silicon (for example amorphous or micro-amorphous silicon, or even polycrystalline silicon), which is thicker. and formed by growth on the polycrystalline layer.
  • a P-doped overlying layer for example silicon (for example amorphous or micro-amorphous silicon, or even polycrystalline silicon), which is thicker. and formed by growth on the polycrystalline layer.
  • TCO type transparent layer
  • the silicon-rich aluminum substrate constitutes a reflective and conductive support for deposited silicon thin films in an application to the manufacture of photovoltaic cells.
  • a substrate initially acting as a catalyst for the crystallization of amorphous silicon makes it possible to obtain a continuous layer of polycrystalline silicon that can be used as a rear surface field (BSF) of a solar cell, and this by using a low thermal budget.
  • BSF rear surface field
  • FIG. 1 illustrates an exemplary embodiment of the method according to the invention, of crystallization of amorphous silicon on a substrate of silicon-rich aluminum
  • FIG. 2 schematically illustrates a solar cell comprising a P + doped thin layer obtained by implementing the method of the invention.
  • the invention provides a low temperature crystallization process of an amorphous silicon film on a silicon-rich aluminum substrate.
  • the silicon-rich aluminum substrate is used as a catalyst for the crystallization of amorphous silicon and provides a continuous layer of polycrystalline silicon that can be used as a back surface field (BSF) of photovoltaic solar cells.
  • BSF back surface field
  • a pure aluminum substrate is not suitable for direct use because of the high diffusivity and solubility of silicon in aluminum.
  • the use of the silicon-rich aluminum substrate thus makes it possible to limit the diffusion and crystallization of amorphous silicon on the surface.
  • Such a method makes it possible to obtain a crystalline silicon film a few microns thick directly on a silicon-rich aluminum substrate.
  • the method comprises three steps:
  • a chemical etching process for etching the residual surface layer consisting essentially of aluminum and silicon in order to access the underlying polycrystalline layer.
  • the crystallization of the amorphous silicon on a silicon-rich aluminum substrate can be obtained as follows.
  • a deposit of the intrinsic amorphous silicon 110 is carried out in a reactor, for example of the PECVD type (for "Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition") or other, on a silicon-rich aluminum substrate 10. Thicknesses included between 1 and ⁇ are deposited at a growth rate of the order of 50 to 100 nm / s, for example about 90 nm / s.
  • the filing conditions can be of the type:
  • a substrate temperature of between 200 and 300 ° C., preferably of the order of 250 ° C.
  • argon-type neutral gas of between 20 and 50 sccm, preferably of the order of 35 sccm,
  • the annealing is carried out in a conventional tubular furnace under controlled nitrogen flow (flow rate of the order of 120 sccm) at temperatures of between 450 ° C. and 550 ° C., as for example in embodiments at 490 ° C, 520 ° C or 550 ° C and durations of between twenty minutes and twelve hours.
  • flow rate of the order of 120 sccm
  • temperatures of between 450 ° C. and 550 ° C., as for example in embodiments at 490 ° C, 520 ° C or 550 ° C and durations of between twenty minutes and twelve hours.
  • the higher the annealing temperature the shorter the annealing time.
  • the melting point of the substrate is only slightly higher or close to 550 ° C.
  • the annealing temperature should be limited to about 550 ° C, and, if necessary (depending on the thickness amorphous Si layer or other parameter), to increase the duration of annealing.
  • a physicochemical phenomenon can possibly be explained as follows. Silicon atoms of the amorphous layer have a sufficiently high energy to leave their bond and diffuse towards the substrate. They interact with it aluminum, which promotes their crystallization. These atoms then use just the amount of energy needed for their crystallization, and release the excess. Simultaneously, silicon atoms of the substrate are released and move towards the interface with the layer to also initiate crystallization. Furthermore, the amount of aluminum that can also migrate to the overlying layer is limited by a "natural" barrier constituted by an oxide layer (for example Al 2 O 3 alumina) at the same time. interface between the substrate and the overlying amorphous silicon layer.
  • oxide layer for example Al 2 O 3 alumina
  • a polycrystalline silicon layer 11 is formed on the silicon-rich aluminum substrate 10.
  • a surface layer 111 of aluminum-silicon mixture that it is then necessary to strip in a third subsequent step.
  • this third step S3 the Silicon / Aluminum mixture created on the top of the substrate is etched in a solution of HN0 3 , HF, H 2 O (in exemplary proportions of the order of 72.5 ml / 1.5 ml / 28 ml).
  • HN0 3 a solution of HN0 3 , HF, H 2 O
  • FIG. 1 at the end of this step S3, there remains a layer 11 of P + doped poly-crystalline silicon with aluminum, on the silicon-rich aluminum substrate 10.
  • a possible prior step S0 to obtain the silicon-rich aluminum substrate 10. In reality, such a substrate is very simple to manufacture because aluminum and silicon are very miscible and Al-Si alloy is very easy to achieve .
  • the absorbent layer of the cell can be created by depositing amorphous silicon, or micro-amorphous, or by epitaxial growth of a thicker polycrystalline film, on the first crystalline film obtained at the same time. from step S3 above.
  • FIG. 2 Reference is then made to FIG. 2 to describe the structure of a photovoltaic cell comprising such layers.
  • the photovoltaic cell comprises in particular:
  • the substrate 10 and the layer 11 form characteristic elements of a semiconductor component within the meaning of the invention (and directly obtained by the implementation of the method of the invention), in particular but not exclusively for a photovoltaic application.
  • the cell may further comprise a layer of silicon 12 (P-doped), which may be amorphous or crystalline, the underlying layer 11 forming a seed to promote the deposition of this layer 12. It can be provided by in addition to the deposition of an additional layer 13, doped N (for example doped amorphous silicon), to constitute the "diode” corresponding to the complete cell. Conventionally, provision is furthermore made for a layer 14 of conductive transparent oxide (or TCO), typically made of ITO (Indium-tin-oxygen) or zinc oxide ZnO, on which metal contacts 15 of the cell are deposited.
  • TCO conductive transparent oxide
  • ITO Indium-tin-oxygen
  • ZnO zinc oxide
  • the aluminum plates used as substrates can be produced in an industrial manner (pouring, extrusion, etc.), thus without any industrial limit.
  • the amorphous silicon film precursor to crystallization is produced from a gas (silane), but alternatively it is possible to use also trichlorosilane (first by-product of the combustion of sand, so widely available).
  • Annealing furnaces for heat treatment and crystallization are widely used in electronics, photovoltaics and metallurgy. Consequently, there is no limit to the method of the invention in order to obtain such a layer 11 deposited on the substrate 10.
  • the limit in temperature elevation of the aluminum substrate at about 550 ° C. maximum. In this case, however, it suffices to extend the duration of the anneals and the durations of possible deposits by epitaxy, if necessary.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above by way of example; it extends to other variants.
  • an annealing furnace optimized to crystallize plates in large series for periods of a few hours (between 20 minutes to 12 minutes). hours as previously described).
  • a passivation of the defects in a hydrogen atmosphere at low temperature makes it possible to improve the performances.
  • P doping of the second silicon layer for example.
  • it may be an I (intrinsic) or N doping.
  • the third N-doped (amorphous) silicon layer may be more particularly n + doped.

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Abstract

Cristallisation de silicium amorphe à partir d'un substrat d'aluminium riche en silicium L'invention concerne un procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur comportant du silicium cristallin en couche mince sur substrat, comportant les étapes : - prévoir un substrat d'aluminium riche en silicium (S0), - déposer une couche mince de silicium amorphe sur ledit substrat (S1), et - appliquer un recuit thermique (S2) à ladite couche mince de silicium amorphe pour obtenir une couche mince de silicium cristallin sur ledit substrat.

Description

Cristallisation de silicium amorphe à partir d'un substrat d'aluminium riche en silicium
La présente invention concerne la production de silicium cristallin en couche mince sur substrat, notamment mais non exclusivement pour des applications photo voltaïques.
Les cellules solaires utilisées dans l'application photo voltaïque sont, pour environ 90%, fabriquées à partir de plaquettes de silicium cristallin obtenues à partir de la découpe d'un lingot. On connaît en outre des techniques de cristallisation de silicium amorphe, telles que la cristallisation induite par laser (LIC) ou la cristallisation en phase solide (SPC).
Néanmoins, ces techniques sont énergivores, et/ou consommatrices de matière première et de temps.
La présente invention vient améliorer la situation.
L'invention propose à cet effet un procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur comportant du silicium cristallin en couche mince sur substrat. Le procédé comporte préférentiellement les étapes :
- prévoir un substrat d' aluminium riche en silicium,
- déposer une couche mince de silicium amorphe sur ledit substrat, et
- appliquer un recuit thermique à ladite couche mince de silicium amorphe pour obtenir une couche mince de silicium cristallin sur ledit substrat.
La couche mince de silicium cristallin peut comporter après le recuit un revêtement superficiel de silicium mélangé à de l'aluminium. Optionnellement, le procédé peut comporter alors une étape supplémentaire de décapage chimique de la surface de ladite couche mince de silicium cristallin pour éliminer ledit revêtement superficiel. Néanmoins, dans certaines applications possibles, il peut être avantageux au contraire de conserver ce revêtement se formant naturellement.
On entend par « riche en silicium », une proportion comprise entre 5 et 50% de silicium dans un alliage de silicium et aluminium, et préférentiellement comprise entre 12 et 50%. Une telle proportion peut être mesurée par spectrophotométrie atomique, dans le substrat lui-même. La valeur d'une telle proportion se retrouve encore dans le substrat après l'étape de recuit précitée, car le matériau du substrat est sursaturé en silicium et, finalement, relativement très peu de silicium du substrat est utilisé pendant le recuit. Ainsi, dans une réalisation possible, le substrat est réalisé dans un alliage d'aluminium et de silicium comportant initialement entre 5 et 50% de silicium, et préférentiellement entre 12 et 50% de silicium. Comme décrit plus loin, un tel substrat est très simple de fabrication.
Dans un exemple de réalisation, la température de recuit thermique est par exemple comprise entre 450 et 550°C, pour des durées comprises entre vingt minutes et douze heures, et à appliquer à une couche de silicium amorphe qui peut être d'épaisseur comprise entre 1 et 10 micromètres.
Avantageusement, la couche mince de silicium cristallin obtenue est plus précisément une couche mince de silicium poly-cristallin dopé P+ à l'aluminium.
Dès lors que la couche mince de silicium cristallin peut former avantageusement un germe pour initier le dépôt d'une deuxième couche mince de silicium par-dessus, le procédé peut comporter avantageusement en outre une étape de dépôt d'une deuxième couche mince de silicium sur ladite couche mince de silicium cristallin.
Ainsi, notamment dans le cas d'un composant semi-conducteur pour une application photovoltaïque où une telle couche de silicium cristallin, dopée P+, forme une couche de champ de surface arrière d'une cellule photovoltaïque, il est possible de prévoir alors une deuxième couche mince de silicium (typiquement une couche dopée P dans cet exemple d'application photovoltaïque) déposée sur cette couche mince de silicium cristallin P+, laquelle forme un germe favorisant le dépôt de cette deuxième couche.
La présente invention vise aussi un composant semi-conducteur comportant du silicium cristallin en couche mince sur substrat. En particulier, le substrat est constitué d'un alliage d'aluminium et de silicium, majoritaire en aluminium. Dans une forme de réalisation, la couche mince précitée comporte plus précisément du silicium poly-cristallin, dopé P+ à l'aluminium.
Dans une forme de réalisation propre à une application photovoltaïque, le composant comporte en outre:
- une deuxième couche dopée P, déposée sur la couche mince de silicium poly-cristallin dopé P+,
- une troisième couche dopée N, déposée sur la deuxième couche,
- au moins un revêtement transparent conducteur sur la troisième couche, et
- des contacts déposés sur le revêtement.
Un tel composant forme alors au moins une cellule photovoltaïque notamment d'un panneau solaire.
Dans une forme de réalisation possible, la deuxième couche dopée P et la troisième couche dopée N sont réalisées en silicium (et notamment la couche dopée N peut être réalisée en silicium amorphe).
Dans une réalisation où le composant est destiné à une application photovoltaïque, la couche mince de silicium poly-cristallin, dopé P+ à l'aluminium, peut former avantageusement une couche de champ de surface arrière (ou « BSF » ci-après).
Dans une réalisation où le composant est destiné à une application photovoltaïque, le substrat (majoritairement en aluminium) peut former en outre un miroir optiquement réflecteur. L'invention présente alors de nombreux avantages exposés ci-après.
Le prix d'élaboration de fines couches de silicium est plus faible que celui des plaquettes constituées de silicium cristallin. Un prix de production d'électricité inférieur à 0,4€/Wp est estimé pour des cellules solaires fabriquées à partir de couches minces de silicium.
Un substrat d'aluminium riche en silicium produit à bas prix, et utilisé au sens de l'invention comme catalyseur pour cristalliser le silicium amorphe, présente l'avantage d'un plus faible budget thermique que celui de technologies concurrentes telles que la cristallisation induite par laser (LIC) ou la cristallisation en phase solide (SPC).
On connaît en outre une technique dite de « cristallisation induite par aluminium » (ou AIC) qui consiste à déposer deux couches respectivement d'aluminium et de silicium, l'une sur autre, afin de cristalliser le silicium après un recuit. Toutefois, une telle technique met en œuvre de très fines couches d'aluminium et de silicium amorphe (d'épaisseurs inférieures à 200nm) sur un substrat généralement en verre. Ainsi, l'interaction entre les deux couches résulte en une couche de polysilicium qui a au plus l'épaisseur de la couche initiale de silicium amorphe. On comprendra alors que cette technique présente de nombreuses limites à la croissance de couches cristallines de silicium convenant pour des applications de composants semiconducteurs et notamment pour des applications photo voltaïques. Par ailleurs, dans cette technique de l'art antérieur, il faut évaporer ensuite le métal aluminium, ce qui nécessite un réacteur supplémentaire pour réaliser finalement la couche de polysilicium.
Le substrat d'aluminium riche en silicium peut être utilisé avantageusement comme support lors de la fabrication des cellules photovoltaïques fabriquées à partir de l'empilement de fines couches de silicium. Un tel substrat joue le rôle, dans cette application à la fabrication de cellules photovoltaïques, à la fois de contact arrière et de réflecteur après fabrication complète des cellules. En effet, le substrat en aluminium peut jouer le rôle de miroir optique, pour favoriser l'interaction lumière-matière dans les couches minces sur-jacentes. Il convient toutefois de noter ici qu'un substrat d'aluminium initialement pur ne peut pas être utilisé en alternative, en raison d'une diffusion du silicium non contrôlée durant l'élaboration des couches de silicium sur-jacentes. Ensuite, la couche cristallisée après recuit comporte alors du silicium cristallin dopé à l'aluminium, et forme alors une couche P+ utilisée habituellement comme champ de surface arrière (ou « BSF » pour « back surface field ») d'une cellule photo voltaïque. En outre, cette couche de silicium cristallin peut servir de germe pour le dépôt d'une couche sur-jacente dopée P, par exemple de silicium (par exemple du silicium amorphe ou micro-amorphe, ou encore du silicium poly-cristallin) plus épaisse et formée par croissance sur la couche poly-cristalline. La suite de la conception de la cellule à base de silicium peut être menée classiquement par rapport à l'état de l'art, notamment avec le dépôt d'une fine couche silicium dopée N, d'une couche transparente (type TCO), et des contacts en peigne pardessus. Ainsi, le substrat d' aluminium, riche en silicium, constitue un support réflecteur et conducteur aux films minces déposés de silicium dans une application à la fabrication de cellules photovoltaïques. Un tel substrat (agissant initialement comme catalyseur pour la cristallisation du silicium amorphe) permet d'obtenir une couche continue de silicium poly-cristallin pouvant être utilisée comme champ de surface arrière (BSF) d'une cellule solaire, et ce en utilisant un faible budget thermique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels :
la figure 1 illustre un exemple de réalisation du procédé selon l'invention, de cristallisation du silicium amorphe sur substrat d' aluminium riche en silicium ; la figure 2 illustre schématiquement une cellule solaire comportant une couche mince dopée P+ obtenue par la mise en œuvre du procédé de l'invention.
L'invention propose un procédé de cristallisation à basse température d'un film de silicium amorphe sur substrat d'aluminium riche en silicium. Le substrat d'aluminium riche en silicium est utilisé comme catalyseur pour la cristallisation du silicium amorphe et permet d'obtenir une couche continue de silicium poly-cristallin pouvant être utilisée comme champ de surface arrière (BSF) des cellules solaires photovoltaïques. Il a été observé qu'un substrat d'aluminium pur ne convenait pas pour être utilisé directement en raison de la forte diffusivité et solubilité du silicium dans l'aluminium. L'utilisation du substrat d'aluminium riche en silicium permet ainsi de limiter la diffusion et la cristallisation du silicium amorphe en surface. Un tel procédé permet l'obtention d'un film en silicium cristallin de quelques microns d'épaisseur directement sur substrat d'aluminium riche en silicium.
Dans un exemple de réalisation, le procédé comporte trois étapes:
(i) un dépôt du silicium amorphe intrinsèque sur substrat d'aluminium riche en silicium, (ii) un recuit à basse température (par exemple inférieure à 550°C), et
(iii) une attaque chimique permettant de graver la couche résiduelle de surface composée essentiellement d'aluminium et de silicium afin d'accéder à la couche poly-cristalline sous- jacente. Ainsi, en référence à la figure 1, la cristallisation du silicium amorphe sur substrat d' aluminium riche en silicium peut être obtenue comme suit. Dans une première étape SI, un dépôt du silicium amorphe intrinsèque 110 est effectué dans un réacteur, par exemple de type PECVD (pour « Plasma Enhanced Chemical Vapor Déposition ») ou autre, sur substrat d'aluminium riche en silicium 10. Des épaisseurs comprises entre 1 et ΙΟμιη sont déposées à une vitesse de croissance de l'ordre de 50 à 100nm/s, par exemple environ 90nm/s. Plus précisément, les conditions de dépôt peuvent être du type :
- une puissance des micro-ondes comprises entre 600 et 700W, préférentiellement de l'ordre de 650W,
- une température du substrat comprise entre 200 et 300°C, préférentiellement de l'ordre de 250°C,
- un débit de SiH4 compris entre 20 et 50 sccm, préférentiellement de l'ordre de 30 sccm,
- un débit de gaz neutre type argon compris entre 20 et 50 sccm, préférentiellement de l'ordre de 35 sccm,
- et une pression comprise entre 30 et 50 mTorr, préférentiellement de l'ordre de 40 mTorr. Dans une deuxième étape S2, le recuit est réalisé dans un four conventionnel tubulaire sous flux contrôlé d'azote (débit de l'ordre de 120 sccm) à des températures comprises entre 450°C et 550°C, comme par exemple dans des réalisations particulières à 490 °C, 520 °C ou 550 °C et des durées comprises entre vingt minutes et douze heures. Plus la température du recuit est élevée et plus la durée du recuit est courte. Il convient de noter en outre que le point de fusion du substrat (eutectique à pression atmosphérique) est à peine supérieur ou voisin de 550°C. Aussi, dans les conditions d'un substrat classique d'alliage Al-Si avec plus de 50% d' aluminium, il convient de limiter la température de recuit à environ 550°C, et, si nécessaire (en fonction de l'épaisseur de couche de Si amorphe ou autre paramètre), d'augmenter la durée du recuit.
Pendant cette étape S2 de recuit thermique, un phénomène physicochimique peut s'expliquer possiblement comme suit. Des atomes de silicium de la couche amorphe ont une énergie suffisamment élevée pour quitter leur liaison et diffuser vers le substrat. Ils y interagissent avec l'aluminium, ce qui favorise leur cristallisation. Ces atomes utilisent alors juste la quantité d'énergie nécessaire pour leur cristallisation, et libèrent l'excès. Simultanément, des atomes de silicium du substrat se libèrent et s'acheminent vers l'interface avec la couche pour y initier aussi la cristallisation. Par ailleurs, la quantité d'aluminium susceptible de migrer aussi vers la couche sur-jacente est limitée quant à elle par une barrière « naturelle » constituée par une couche d'oxyde (par exemple de l'alumine A1203) à l'interface entre le substrat et la couche de silicium amorphe sur-jacente.
Ainsi, à l'issue de cette étape de recuit, une couche de silicium poly-cristallin 11 se forme sur le substrat d'aluminium riche en silicium 10. Il subsiste en outre une couche superficielle 111 de mélange d'aluminium et de silicium, qu'il convient ensuite de décaper dans une troisième étape ultérieure.
Dans cette troisième étape S3, le mélange Silicium/ Aluminium créé sur le dessus du substrat est attaqué chimiquement dans une solution de HN03, HF, H20 (dans des proportions à titre d'exemple de l'ordre de 72.5 ml/1.5 ml/28 ml). Ainsi, comme illustré sur la figure 1, à l'issue de cette étape S3, il subsiste une couche 11 de silicium poly-cristallin dopé P+ à l'aluminium, sur le substrat d'aluminium riche en silicium 10. II convient de noter une étape éventuelle préalable S0, d'obtention du substrat d'aluminium riche en silicium 10. En réalité, un tel substrat est très simple de fabrication car l'aluminium et le silicium sont très miscibles et alliage Al-Si est très facile à réaliser.
Pour une application photo voltaïque, la couche absorbante de la cellule peut être créée ensuite par dépôt de silicium amorphe, ou micro-amorphe, ou encore par croissance épitaxiale d'un film poly-cristallin plus épais, sur le premier film cristallin obtenu à l'issue de l'étape S3 ci- avant.
On se réfère alors à la figure 2 pour décrire la structure d'une cellule photovoltaïque comportant de telles couches.
La cellule photovoltaïque comporte en particulier :
un substrat d'aluminium riche en silicium 10 (métallique), et une couche 11 de silicium poly-cristallin P+ dopée à l'aluminium, laquelle compose, avec le substrat 10, les éléments a minima d'une telle cellule photovoltaïque.
On comprendra ainsi que le substrat 10 et la couche 11 forment des éléments caractéristiques d'un composant semi-conducteur au sens de l'invention (et directement obtenus par la mise en œuvre du procédé de l'invention), notamment mais non exclusivement pour une application photovoltaïque.
Dans cette application particulière, la cellule peut comporter en outre une couche de silicium 12 (dopée P), qui peut être amorphe ou cristalline, la couche sous-jacente 11 formant un germe pour favoriser le dépôt de cette couche 12. On peut prévoir en outre le dépôt d'une couche supplémentaire 13, dopée N (par exemple de silicium amorphe dopé), pour constituer la « diode » correspondant à la cellule complète. Classiquement, on prévoit en outre un dépôt d'une couche 14 d'oxyde transparent conducteur (ou TCO), typiquement réalisé en ITO (Indium-Etain-oxygène) ou en oxyde de zinc ZnO, sur laquelle des contacts métalliques 15 de connexion de la cellule sont déposés.
Une telle réalisation présente de nombreux avantages. Les plaques d'aluminium utilisées comme substrats peuvent être produites d'une manière industrielle (coulage, extrusion, etc.), donc sans limite industrielle. Le film de silicium amorphe précurseur à la cristallisation est produit à partir d'un gaz (silane), mais alternativement il est possible d'utiliser aussi du trichlorosilane (premier sous-produit de la combustion du sable, donc amplement disponible). Les fours de recuits pour le traitement thermique et la cristallisation sont d'usage courant en électronique, photovoltaïque et métallurgie. En conséquence, aucune limite ne s'oppose au procédé de l'invention afin d'obtenir une telle couche 11 déposée sur le substrat 10. On peut citer toutefois ici la limite en élévation de température du substrat aluminium aux environs de 550°C au maximum. Dans ce cas, toutefois, il suffit d'allonger la durée des recuits et les durées de dépôts éventuels par épitaxie, si nécessaire.
Bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d'exemple ; elle s'étend à d'autres variantes. Par exemple, pour surmonter la difficulté de la limite en température de 550°C à ne pas dépasser a priori, on peut prévoir un four de recuit optimisé pour cristalliser des plaques en grande série pendant des durées de quelques heures (entre 20 minutes à 12 heures comme décrit précédemment). Par ailleurs, il peut être avantageux de traiter les films de silicium amorphe, micro-amorphe ou poly-cristallin contenant, de fait, des défauts d'incrustation d' aluminium qui affectent les performances de la cellule solaire finale. A cet effet, une passivation des défauts en atmosphère d'hydrogène à faible température permet d'améliorer les performances.
Par ailleurs, on a décrit ci-avant un dopage P de la deuxième couche de silicium, à titre d'exemple. Bien entendu, en variante, il peut s' agir d'un dopage I (intrinsèque) ou N. En outre, la troisième couche de silicium (amorphe), dopée N, peut être plus particulièrement dopée n+.

Claims

Revendications
1. Procédé de fabrication d'un composant semi-conducteur comportant du silicium cristallin en couche mince sur substrat, caractérisé en ce qu'il comporte au moins les étapes :
- prévoir un substrat d' aluminium riche en silicium,
- déposer une couche mince de silicium amorphe sur ledit substrat, et
- appliquer un recuit thermique à ladite couche mince de silicium amorphe pour obtenir une couche mince de silicium cristallin sur ledit substrat.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche mince de silicium cristallin comporte un revêtement superficiel de silicium mélangé à de l'aluminium, et en ce que le procédé comporte une étape supplémentaire de décapage chimique de la surface de ladite couche mince de silicium cristallin pour éliminer ledit revêtement superficiel.
3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est réalisé dans un alliage d'aluminium et de silicium comportant initialement entre 5 et 50% de silicium.
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'alliage comporte initialement entre 12 et 50% de silicium.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de recuit thermique est comprise entre 450 et 550°C, pour des durées comprises entre vingt minutes et douze heures, à appliquer à une couche de silicium amorphe d'épaisseur comprise entre 1 et 10 micromètres.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche mince de silicium cristallin est une couche mince de silicium poly-cristallin dopé P+ à l'aluminium.
7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une étape de dépôt d'une deuxième couche mince de silicium sur la couche mince de silicium cristallin, la couche mince de silicium cristallin formant un germe pour initier le dépôt de ladite deuxième couche mince de silicium.
8. Composant semi-conducteur comportant du silicium cristallin en couche mince sur substrat, caractérisé en ce que le substrat est constitué d'un alliage d'aluminium et de silicium, majoritaire en aluminium.
9. Composant selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche mince comporte du silicium poly-cristallin, dopé P+ à l'aluminium.
10. Composant selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte en outre, pour une application photo voltaïque :
- une deuxième couche dopée P, déposée sur la couche mince de silicium poly-cristallin dopé P+,
- une troisième couche dopée N, déposée sur la deuxième couche,
- au moins un revêtement transparent conducteur sur la troisième couche, et
- des contacts déposés sur le revêtement.
11. Composant selon la revendication 10, caractérisé en ce que la deuxième couche dopée P et la troisième couche dopée N sont réalisées en silicium.
12. Composant selon l'une des revendications 9 à 11, destiné à une application photovoltaïque, caractérisé en ce que la couche mince de silicium poly-cristallin, dopé P+ à l'aluminium, forme une couche de champ de surface arrière.
13. Composant selon l'une des revendications 8 à 12, destiné à une application photovoltaïque, caractérisé en ce que le substrat forme un miroir optiquement réflecteur.
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